Jedes Jahr landen Millionen von Tonnen Zivilisationsmüll in den Weltmeeren. Den grössten Teil machen Kunststoffe aus. Sie zerfallen sehr langsam und bedrohen neben Meereslebewesen und Ökosystemen auch unsere Gesundheit. Studierende der ETH Zürich suchen seit 2019 im Rahmen der Initiative «Autonomous River Cleanup» nach technischen Lösungen, um dieses Problem zu lindern. Dass dabei Flüsse im Fokus stehen, hat primär einen praktischen Grund. Wenn Plastikabfälle erst einmal im Meer gelandet sind, wird es deutlich schwieriger bis unmöglich, sie effektiv zu entfernen, denn dort verteilen sie sich weit und zerfallen in immer kleinere Partikel. «In Flüssen sind die Abfälle eher konzentriert und intakt, was ein Entfernen erleichtern kann», erklärt Fidel Esquivel, ETH-Masterstudent in Robotics, Systems and Control und Gründungsmitglied des ARC-Projekts.
Ein effizientes und intelligentes System als Ziel
Die Studierenden haben dafür im Labor verschiedene Technologien analysiert, die sie nun erstmals in einer realistischen Umgebung und im Zusammenspiel miteinander testen. Die Testanlage steht auf der Limmat auf Höhe des Zürcher Platzspitz. Bis Ende August untersuchen die Studierenden unter anderem drei Schritte, die für die Abfallentfernung zentral sind: Die Konzentration an einem Ort, die Sammlung und die Sortierung. Zudem möchten Sie mittels Kameras an der Walchebrücke die Menge und Zusammensetzung des Abfalls im Fluss einschätzen. Für die Konzentration von Abfall an einem Ort testet die Gruppe verschiedene Ansätze, die sie teilweise kombiniert – darunter eine schwimmende Barriere und eine Schranke aus Luftblasen. Um das Material auf der Testplattform zu sammeln, nutzen die Studierenden ein Förderband und testen dabei dessen optimale Ausrichtung. Ein Roboterarm mit Kamera soll die Abfälle schliesslich nach Material trennen, wobei Biomasse zurück ins Wasser gelangt. Dabei wird sich zeigen, ob die eigens programmierten Deep-Learning-Algorithmen die Objekte richtig erkennen. Um den Weg des Abfalls zu untersuchen, nutzen die Studierenden unter anderem schwimmende GPS-Tracker. Die Ergebnisse der Tests werden im Anschluss auf der Projektwebsite veröffentlicht.
Das ARC-Projekt soll in verschiedenen Aspekten einen Wissenszuwachs bringen – Zum Beispiel in der Frage, wie man Abfall in Gewässern quantifizieren könnte. Die Menge von Plastik und anderem Zivilisationsmüll, der in Flüssen und Meeren landet, ist nämlich nicht präzise bekannt und verschiedene Studien kommen zu ganz unterschiedlichen Schätzungen. Weiter ist die Analyse und die Sortierung des Mülls vor Ort ein neuer Ansatz. «In einem ersten Schritt möchten wir dafür sorgen, dass Biomasse zurück in den Fluss gelangt, um das Ökosystem so wenig wie möglich zu belasten. Längerfristig ist es aber unser Ziel, den Abfall nach Material und sogar nach verschiedenen Plastik-Arten zu trennen, um die Stoffe wiederverwerten zu können», erklärt Joachim Schaeffer, Masterstudent in Energiewissenschaften und -Technologie an der ETH, der die Tests auf der Limmat leitet. Schliesslich soll das ganze System so energieeffizient und intelligent wie möglich sein. So könnten sich die Intensität der Luftblasen und das Tempo des Förderbands später automatisch an die erkannte Abfallmenge anpassen, wie Schaeffer ausführt.
Expansion auf stärker verschmutzte Flüsse geplant
Der Teststandort fiel aus mehreren Gründen auf diese Stelle der Limmat. Einer davon ist die Nähe zum Hauptgebäude und den umliegenden Laboren der ETH. Zudem fahren auf diesem Abschnitt der Limmat keine Schiffe und auch das Schwimmen ist untersagt. Die Installation wurde vom Kantonalen Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft genehmigt. Der Einfluss auf Flora und Fauna wird während der Tests weiter analysiert.
Von den Ergebnissen dieser Testphase hängt ab, wie sich das Projekt ARC weiterentwickelt. Die Gruppe will ihr System anhand der Resultate weiter verbessern und plant nächstes Jahr weitere Tests auf grösseren, stark verschmutzten Flüssen in Afrika, Indien oder Südostasien. «Die Limmat ist kein stark verschmutzter Fluss», stellt Fidel Esquivel klar: «Die Anlage dient primär zum Testen unseres Systems und nicht der Reinigung des Flusses – Obwohl wir schon jetzt einige Kehrichtsäcke mit gesammelten Abfällen füllen konnten.» ARC wird von verschiedenen Industriepartnern unterstützt, steht in Kontakt mit der Universität für Bodenkultur Wien und ist, auch international, an weiteren Partnerschaften interessiert. Das Ziel ist, mit denjenigen Technologien, die sich bewähren, individuelle Lösungen für verschiedene Anspruchsgruppen und örtliche Gegebenheiten anzubieten. Das können Kundinnen und Kunden aus dem öffentlichen oder auch dem privaten Sektor sein.
Über die Initiative
Das Projekt «Autonomous River Cleanup» wurde 2019 von Studierenden am Robotic Systems Lab der ETH Zürich lanciert. Einige der 18 ETH-Studierenden im Projektteam absolvieren im Rahmen des Projekts eine Bachelor-, Master- oder Semesterarbeit. Die Initiative wird von Doktorierenden sowie Professorinnen und Professoren aus fünf verschiedenen ETH-Laboren betreut und von den drei Industriepartnern Ecolymer, Kindlimann Naval Architecture und Phoenix Mecano technologisch und finanziell unterstützt.